EP3827488B1 - Strahlungsquelle und vorrichtung zur rückkopplung von emittierter strahlung in eine laserquelle - Google Patents

Strahlungsquelle und vorrichtung zur rückkopplung von emittierter strahlung in eine laserquelle Download PDF

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EP3827488B1
EP3827488B1 EP19744664.4A EP19744664A EP3827488B1 EP 3827488 B1 EP3827488 B1 EP 3827488B1 EP 19744664 A EP19744664 A EP 19744664A EP 3827488 B1 EP3827488 B1 EP 3827488B1
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EP
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radiation
fel
illumination
radiation source
illumination radiation
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Udo Dinger
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Carl Zeiss SMT GmbH
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Carl Zeiss SMT GmbH
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    • H01S3/08009—Construction or shape of optical resonators or components thereof incorporating a dispersive element, e.g. a prism for wavelength selection using a diffraction grating

Definitions

  • US 2006/193553 A1 discloses an optical device comprising a laser and a planar optical fiber with diffraction elements and means for guiding an optical signal.
  • the invention relates to a radiation source for a projection exposure system or metrology system according to claim 1.
  • the invention further relates to a device for feedback of emitted illumination radiation into a laser source according to claim 9.
  • the invention also relates to a method for operating a free electron laser according to claim 10.
  • the invention further relates to a method for producing a micro- or nanostructured component according to claim 15.
  • Component also relates to a component produced by a method according to claim 16.
  • Free electron lasers can be considered as radiation sources for EUV projection exposure systems. Such FELs usually have very large dimensions. In addition, disposing of the used electron beam can result in the release of radioactivity.
  • This object is achieved by a device for feedback of emitted radiation into a laser source and a radiation source with such a device.
  • the core of the invention is to couple out a portion of the emitted radiation from a beam path and to couple at least a portion of the coupled-out radiation back into the laser source.
  • the emitted radiation can serve in particular as illumination radiation, in particular for a projection exposure system.
  • illumination radiation is also used instead of the term radiation or electromagnetic radiation.
  • the size of the radiation source can be significantly reduced be reduced.
  • the electromagnetic radiation is in particular radiation with a wavelength of at most 30 nm, in particular EUV radiation, in particular radiation in a wavelength range of 5 nm to 30 nm, for example 13.5 nm or 6.8 nm is in particular illumination radiation for operating a projection exposure system for microlithography.
  • the laser source is a free electron laser.
  • a diffractive optical element is used in particular to decouple electromagnetic radiation from the beam path. This can be arranged on the component for coupling out electromagnetic radiation.
  • a FEL can be provided with a self-seeding mechanism.
  • the device for feedback of the emitted electromagnetic radiation into the laser source is designed such that a mode matching of the coupled-in electromagnetic radiation to the electromagnetic radiation generated in the laser source takes place.
  • the at least one optical component for coupling out electromagnetic radiation from the beam path and/or the at least one optical component for coupling electromagnetic radiation into the laser source each have a mirror for grazing incidence (GI mirror; grazing incidence mirror).
  • the illumination beam can be expanded. This can be used to reduce the thermal load on the optical components.
  • the angle of incidence is preferably less than 15°, in particular less than 10°.
  • the mirror of the component for decoupling electromagnetic radiation from the beam path is preferably superpolished. In the useful area, it has an integral fit error of at most 10 nm rms, preferably 2.5 nm rms, (root mean square) for spatial wavelengths greater than 1 mm up to the free aperture of the mirror and an integral rms roughness of at most 1 nm, preferably 0.5 nm rms, for spatial frequencies between 10nm and 1mm.
  • the mirror of the optical component for coupling out electromagnetic radiation is arranged at least 1 m, in particular at least 2 m, in particular at least 5 m, in particular at least 8 m away from the output of the laser source. The distance is preferably at most 30 m, in particular at most 20 m, in particular at most 12 m.
  • the optical component of the device for feedback of electromagnetic radiation following the optical component for decoupling electromagnetic radiation is in the forward direction at least 1 m, in particular at least 2 m, in particular at least 3 m, in particular at least 5 m, in particular at least 8 m, but preferably at most 30 m, in particular at most 20 m, in particular at most 12 m from the GI mirror.
  • the GI mirror of the optical component for coupling out electromagnetic radiation is a convex mirror, in particular as an off-axis paraboloid mirror in a first approximation, or as an ellipsoid mirror, in particular with a Beam waist is designed in a focal point or as a hyperboloid mirror or as a free-form surface mirror.
  • the mirror of the component for coupling the electromagnetic radiation into the laser source is designed, apart from the diffractive structure, essentially identical to the mirror of the optical component for coupling out electromagnetic radiation.
  • the diffractive optical element is designed to be controllable.
  • it is a controllable grid element. It can be, for example, an acousto-optical element.
  • the diffractive optical element has in particular a variable, in particular a controllable, grating constant. This enables variable, in particular controllable, power feedback into the FEL.
  • the diffractive optical element can also be designed as a static grating. This enables a particularly simple implementation of the invention.
  • the diffractive optical element can in particular have at least 30 lines per millimeter, in particular at least 38 lines per millimeter.
  • the line density can be less than 100 lines per millimeter. This makes it possible to separate two adjacent orders on the optical element (M2) following the diffractive optical element by at least the beam diameter.
  • the diffractive optical element can be designed to be blazed (blazed grating). This makes it possible to concentrate the reflected power into a few, especially two, orders.
  • the diffractive optical element has lines perpendicular to the beam direction.
  • the diffractive optical element can have lines in the beam direction. It can in particular be designed as a conical grid. Details on the design can be found here WO2004/021086 A1 and the DE 10 2012 201 497 A1 be removed.
  • a conical grating diffracts the non-zero diffraction orders out of the plane of incidence, ie with a directional component in the direction of the grating vector.
  • At least one of the grazing incidence mirrors is made of or contains components of silicon carbide, silicon, copper, ruthenium, aluminum or diamond or their compounds or alloys.
  • the mirror for grazing incidence can in particular consist of the aforementioned substances or their compounds or a combination thereof.
  • the at least one optical component with the diffractive optical element has a cooling device.
  • the component can in particular be internally cooled.
  • a selection of water, oil, carbon dioxide or nitrogen can serve as the cooling medium.
  • Examples for the integration of a cooling device can be, for example: WO2007/051638A1 , the US2010/0182710A1 or the US9007559B2 or that DE 10 2012 201 221 A1 , DE 10 2015 100 918 A1 , DE 10 2009 039400 A1 , DE 10 2016 221 878 A1 be removed.
  • the device for feedback of electromagnetic radiation into the laser source comprises two mirrors for grazing incidence and two mirrors for normal incidence (NI mirror, normal incidence mirror).
  • the device comprises exactly two GI and two NI mirrors.
  • the thermal load on the individual mirrors to be below a predetermined limit value, in particular below 1000 W/cm 2 , in particular below 500 W/cm 2 , in particular below 300 W/cm 2 , in particular below 200 W /cm 2 could be maintained.
  • the mirrors of the device are arranged symmetrically, in particular mirror-symmetrically, to a center plane.
  • the device preferably has a symmetrical structure overall. This facilitates mode-adapted recoupling of the electromagnetic radiation, especially the seed pulses.
  • the radiation source is in particular an EUV radiation source, that is to say a radiation source for generating electromagnetic radiation in the EUV wavelength range.
  • a further object of the invention is to improve a method for operating a free electron laser.
  • This task is solved by a method in which part of the electromagnetic radiation generated by the FEL is coupled out of the beam path and at least partially coupled back into the FEL.
  • the recoupling takes place in particular in a mode-adapted manner.
  • the invention relates to a compact storage ring-based FEL that is operated well below saturation (approx. ⁇ 1% of the saturation power), so that the degradation of the electron beam quality caused by the FEL process is kept so low that storage of the electron beam is possible.
  • the total EUV power which can be in the kilowatt range, is achieved in particular by a high repetition rate.
  • the repetition rate is in particular at least 5 MHz, in particular at least 10 MHz, in particular at least 20 MHz, in particular at least 30 MHz, in particular at least 50 MHz, in particular at least 100 MHz, in particular at least 200 MHz, in particular at least 300 MHz. It is usually less than 1 GHz.
  • a plurality of pulses in particular at least 5 pulses, in particular at least 10 pulses, in particular at least 20 pulses, in particular at least 30 pulses, in particular at least 50 pulses, can preferably be stored in the storage ring.
  • the power of the reinjected portion of the coupled-out electromagnetic radiation is in particular at least 10 W, in particular at least 20 W, in particular at least 30 W, in particular at least 50 W, in particular at least 100 W. It is preferably less than 1 kW, in particular less than 500 W, in particular less than 300 W, especially less than 200 W.
  • the precise value of the reinjected power can be controlled by controlling the diffractive optical element. This improves the flexibility of the feedback.
  • control, in particular regulate, the electromagnetic radiation used to illuminate the object field, in particular its intensity, by driving the diffractive optical element it is provided to control, in particular regulate, the electromagnetic radiation used to image the reticle on a wafer in the image field of the projection optics, in particular its intensity, by driving the diffractive optical element.
  • dose control at the reticle and/or wafer level can be implemented using suitable feedback and/or feedforward information.
  • Further objects of the invention are to improve an illumination system for a projection exposure system or a metrology system as well as a projection exposure system and a metrology system with a corresponding illumination system.
  • the lighting system it is possible in particular to feed back part of the electromagnetic radiation generated by the FEL for seeding.
  • the diffraction orders not used for the seed are preferably guided unobscured to one or more scanners of the projection exposure system, in particular to one or more projection optics.
  • a corresponding projection exposure system see again DE 10 2016 217 426 A1 referred.
  • Further objects of the invention are to improve a method for producing a micro- or nanostructured component and such a component.
  • the following subdivision of the projection exposure system 1 into subsystems primarily serves to conceptually delimit them.
  • the subsystems can form separate structural subsystems.
  • the division into subsystems does not necessarily have to be reflected in a constructive demarcation.
  • the projection exposure system 1 includes a radiation source module 2 and one or a plurality of scanners 3i .
  • the radiation source module 2 includes a radiation source 4 for generating illumination radiation 5.
  • the radiation source 4 is a free electron laser (FEL).
  • the radiation source 4 for example, has an average power in the range of 1 kW to 25 kW. It has a pulse frequency in the range of 10 MHz to 10 GHz. For example, each individual radiation pulse can have an energy of 83 ⁇ J. With a radiation pulse length of 100 fs, this corresponds to a radiation pulse power of 833 MW.
  • the radiation source 4 can also have a repetition rate in the kilohertz range, for example 100 kHz, or in the low megahertz range, for example at 3 MHz, in the middle megahertz range, for example at 30 MHz, in the upper megahertz range, for example at 300 MHz or also in the gigahertz range, for example at 1 .3 GHz.
  • the radiation source 4 is in particular an EUV radiation source.
  • the radiation source 4 emits in particular radiation with a wavelength of at most 30 nm, in particular EUV radiation in the wavelength range, for example between 2 nm and 30 nm, in particular between 2 nm and 15 nm.
  • the radiation source 4 emits the illumination radiation 5 in the form of a raw beam 6.
  • the raw beam 6 has a very small divergence.
  • the divergence of the raw beam 6 can be less than 10 mrad, in particular less than 1 mrad, in particular less than 100 ⁇ rad, in particular less than 10 ⁇ rad.
  • coordinates of a Cartesian xyz coordinate system are used below.
  • the x coordinate regularly spans a bundle cross section of the illumination radiation 5 with the y coordinate.
  • the z-direction runs regularly in the radiation direction of the illumination radiation 5. In the area of the object plane 21 or the image plane 24, the y-direction runs parallel to a scanning direction.
  • the x-direction is perpendicular to the scanning direction.
  • the raw beam 6 is emitted by the radiation source 4 in a specific direction. This is also referred to below as Pointing P.
  • the raw beam 6 can have a light conductance value which is less than 0.1 mm 2 , in particular less than 0.01 mm 2 .
  • the light conductance is the smallest volume of a phase space which contains 90% of the energy of the illumination radiation 5 emitted by the radiation source 2.
  • Corresponding definitions of the light conductance value can be found, for example, in EP 1 072 957 A2 and the US 6,198,793 B1 .
  • the radiation source module 2 further comprises beam shaping optics 7 arranged downstream of the radiation source 4.
  • the beam shaping optics 7 is used to generate a collecting output beam 8 from the raw beam 6.
  • the collecting output beam 8 has a very small divergence.
  • the divergence of the collecting output beam 8 can be less than 10 mrad, in particular less than 1 mrad, in particular less than 100 ⁇ rad, in particular less than 10 ⁇ rad.
  • the beam shaping optics 7, in particular the diameter of the raw beam 6 or the collecting output beam 8 can be influenced.
  • an expansion of the raw beam 6 can be achieved.
  • the raw beam 6 can be expanded by a factor of at least 1.5, in particular at least 2, in particular at least 3, in particular at least 5, in particular at least 10, by means of the beam shaping optics 7.
  • the expansion factor is in particular less than 1000. It is also possible to expand the raw beam 6 to different degrees in different directions. In particular, it can be expanded more in an x-direction than in a y-direction.
  • the y-direction in the area of the object field 11 i corresponds to the scanning direction.
  • the divergence of the collecting output beam 8 can be smaller than the divergence, in particular smaller than half the divergence, of the raw beam 6.
  • the beam shaping optics 7 can in particular have one or two beam shaping mirror groups, each with two mirrors.
  • the beam shaping mirror groups serve in particular to shape the beam of the collecting output beam 8 in mutually perpendicular planes, which run parallel to the direction of propagation of the collecting output beam 8.
  • the beam shaping optics 7 can also include further beam shaping mirrors.
  • the beam shaping optics 7 can in particular comprise cylindrical mirrors, in particular at least one convex and at least one concave cylindrical mirror. It can also include mirrors with a free-form profile. Such mirrors each have a height profile that cannot be represented as a conic section.
  • the intensity profile of the raw beam 6 can also be influenced by means of the beam shaping optics 7.
  • the radiation source module 2 includes a decoupling optics 9, described in more detail below.
  • the individual output beams 10i each form beams of rays for illuminating an object field 11i .
  • the individual output beams 10i are each assigned to one of the scanners 3i .
  • the beams of the individual output beams 10i can each comprise a plurality of separate partial beams 12i .
  • the functionality of the beam shaping optics 7 can be integrated into the output optics 9. In this case, separate beam shaping optics 7 can be dispensed with.
  • the decoupling optics 9 are arranged behind the beam shaping optics 7 in the direction of propagation of the illumination radiation.
  • the decoupling optics 9 are preferably arranged directly behind the radiation source 4, in particular before the raw beam 6 is influenced by the beam shaping optics 7.
  • separate beam shaping optics can be used for the individual output beams 10; be provided.
  • the radiation source module 2 is arranged in particular in an evacuable housing.
  • the scanners 3i each include beam guidance optics 13i and projection optics 14i .
  • the beam guidance optics 13 i serves to guide the illumination radiation 5, in particular the respective individual output beams 10; to the object fields 11i of the individual scanners 3i .
  • the projection optics 14 i are used to image a reticle 22 i arranged in one of the object fields 11 i into an image field 23 i , in particular onto a wafer 25 i arranged in the image field 23 i .
  • the radiation guidance optics 13i each comprise, in the order of the beam path of the illumination radiation 5, a deflection optics 15i , a coupling optics 16i , in particular in the form of a focusing assembly, and an illumination optics 17i .
  • the coupling optics 16i can in particular also be designed as a Wolter Type III collector.
  • the deflection optics 15 i can also be integrated into the decoupling optics 9.
  • the decoupling optics 9 can in particular be designed in such a way that they produce the individual output beams 10; already diverted in a desired direction. According to one variant, the deflection optics 15i can also be dispensed with altogether. In general, the decoupling optics 9 and the deflection optics 15i can form a decoupling-deflection device.
  • deflection optics 15 i for example, refer to the DE 10 2013 223 935 A1 referred.
  • the coupling optics 16 i serves in particular to couple the illumination radiation 5, in particular one of the individual output beams 10 i generated by the coupling optics 9, into one of the illumination optics 17 i .
  • the lighting device 18, like the radiation source 4, is part of a lighting system 19.
  • Each of the lighting optics 17i is assigned one of the projection optics 14i . Together, the mutually assigned illumination optics 17i and the projection optics 14i are also referred to as the optical system 20i .
  • the illumination optics 17i are used to transfer illumination radiation 5 to a reticle 22i arranged in an object plane 21 in the object field 11i .
  • the projection optics 14 i is used to image the reticle 22 i , in particular to image structures on the reticle 22 i , onto a wafer 25 i arranged in an image field 23 i in an image plane 24.
  • the lighting optics 17 i each includes a first facet mirror 28 i and a second facet mirror 29 i , the function of which corresponds to that known from the prior art.
  • the first facet mirror 28 i can in particular be a field facet mirror.
  • the second facet mirror 29 i can in particular be a pupil facet mirror.
  • the second facet mirror 29 i can also be arranged at a distance from a pupil plane of the illumination optics 17. This general case is also called a specular reflector.
  • the facet mirrors 28i , 29i each include a plurality of facets 28a, 29a. During operation of the projection exposure system 1, each of the first facets 28a is assigned one of the second facets 29a. The mutually assigned facets 28a, 29a each form an illumination channel of the illumination radiation 5 for illuminating the object field 11 at a specific illumination angle.
  • the facets 28a of the first facet mirror 28i can be designed to be displaceable, in particular tiltable, in particular with two tilting degrees of freedom each.
  • the facets 28a of the first facet mirror 28 can be designed as virtual facets. This means that they are formed by a variable grouping of a plurality of individual mirrors, in particular a plurality of micromirrors.
  • WO 2009/100856 A1 referred to, which is hereby integrated into this application as part of the present application.
  • the facets 29a of the second facet mirror 29 can accordingly be designed as virtual facets 29a. They can also be designed to be correspondingly movable, in particular tiltable.
  • the reticle 22 with structures reflecting the illumination radiation 5 is carried by a reticle holder 30.
  • the reticle holder 30 can be moved in a controlled manner via a displacement device 31.
  • the wafer 25 is carried by a wafer holder 32.
  • the wafer holder 32 can be displaced in a controlled manner by means of a displacement device 33.
  • the displacement device 31 of the reticle holder 30 and the displacement device 33 of the wafer holder 32 can be in signal connection with one another. In particular, they are synchronized.
  • the reticle 22 and the wafer 25 can be moved in particular in a synchronized manner with one another.
  • both the reticle 22 and the wafer 25 are displaced in a synchronized manner, in particular scanned in a synchronized manner, by appropriate control of the displacement devices 31 and 33.
  • the wafer 25 is scanned during the projection exposure at a scanning speed of, for example, 600 mm/s.
  • the projection exposure system 1 includes in particular at least two, in particular at least three, in particular at least four, in particular at least five, in particular at least six, in particular at least seven, in particular at least eight, in particular at least nine, in particular at least ten scanners 3 i .
  • the projection exposure system 1 can accommodate up to twenty scanners 3; include.
  • the scanners 3 i are supplied with illumination radiation 5 from the common radiation source module 2, in particular the common radiation source 4.
  • the projection exposure system 1 is used to produce micro- or nanostructured components, in particular electronic semiconductor components.
  • the coupling optics 16i is arranged in the beam path between the radiation source module 2, in particular the coupling optics 9, and one of the lighting optics 17i .
  • she is designed in particular as a focusing assembly. It serves to transfer one of the individual output beams 10; in an intermediate focus 26i in an intermediate focus plane 27.
  • the intermediate focus 26i can be in the area of a passage opening of a housing of the optical system 20; or the scanner 3; be arranged.
  • the housing can in particular be evacuated.
  • the lighting optics 17 i each includes a first facet mirror and a second facet mirror, the function of which corresponds to that known from the prior art.
  • the first facet mirror can in particular be a field facet mirror.
  • the second facet mirror can in particular be a pupil facet mirror.
  • the second facet mirror can also be spaced from a pupil plane of the illumination optics 17; be arranged. This general case is also called a specular reflector.
  • the facet mirrors each include a large number of first and second facets.
  • each of the first facets is assigned one of the second facets.
  • the facets assigned to one another each form an illumination channel of the illumination radiation 5 for illuminating the object field 11i at a specific illumination angle.
  • the channel-wise assignment of the second facets to the first facets takes place depending on a desired lighting, in particular a predetermined lighting setting.
  • the facets of the first facet mirror can be designed to be displaceable, in particular tiltable, in particular with two degrees of freedom of tilting each.
  • the facets of the first facet mirror can in particular be switched between different positions. They are assigned to different switching positions of the second facets. At least one switching position of the first facets can also be provided in each case, in which the illumination radiation 5 striking them does not contribute to the illumination of the object field 11i .
  • the facets of the first facet mirror can be designed as virtual facets.
  • the facets of the second facet mirror can be designed as virtual facets. They can also be designed to be correspondingly movable, in particular tiltable.
  • the first facets are imaged into the object field 11 i in the reticle or object plane 21 via the second facet mirror and possibly via a subsequent transmission optics (not shown in the figures), which comprises, for example, three EUV mirrors.
  • the individual illumination channels lead to the illumination of the object field 11i with specific illumination angles.
  • the entirety of the illumination channels thus leads to an illumination angle distribution of the illumination of the object field 11i through the illumination optics 17i .
  • the illumination angle distribution is also referred to as the illumination setting.
  • the mirrors of the transmission optics in front of the object field 11i can also be dispensed with, which leads to a corresponding increase in transmission for the useful radiation bundle.
  • the reticle 22i with structures reflecting the illumination radiation 5 is arranged in the object plane 21 in the area of the object field 11i .
  • the projection optics 14i each image the object field 11i into the image field 23i in the image plane 24.
  • the wafer 25 i is arranged in this image plane 24 during projection exposure.
  • the wafer 25i has a light-sensitive coating that is exposed during the projection exposure with the projection exposure system 1.
  • a free electron laser (FEL) or a synchrotron-based radiation source can advantageously be used as the main radiation source 4.
  • FEL free electron laser
  • a FEL scales very well, which means that it can be operated particularly economically if it is designed to be large enough to accommodate a plurality of scanners 3; with illumination radiation 5 too take care of.
  • the FEL can in particular supply up to eight, ten, twelve or even twenty scanners with illumination radiation 5.
  • More than one radiation source 4 can also be provided.
  • a requirement for the projection exposure system 1 is that the radiation intensity that reaches the individual reticles 22i , and in particular the radiation dose that reaches the wafers 25i , can be regulated very precisely and very quickly.
  • the radiation dose that reaches the wafers 25 i should in particular be able to be kept as constant as possible.
  • Fluctuations on the reticle 22; incident illumination radiation 5, in particular the total intensity of the illumination radiation 5 incident on the reticle 22 i and thus the radiation dose incident on the wafer 25 i , can be due to intensity fluctuations of the main radiation source and/or to geometric fluctuations, in particular to fluctuations in the direction of the radiation emitted by the main radiation source 4
  • Raw beam 6 and / or fluctuations in the cross-sectional profile, especially in the area of the output optics 9, can be attributed to the same.
  • Fluctuations in the cross-sectional profile can in particular be due to divergence fluctuations in the raw beam 6 emitted by the radiation source 4 and/or the collecting output beam 8.
  • the radiation source 4 includes the free electron laser 35 (FEL).
  • FEL free electron laser 35
  • the general structure of the compact FEL 35 is known.
  • the FEL 35 emits the illumination radiation 5.
  • the FEL 35 in particular emits illumination radiation 5 with a wavelength of at most 30 nm, in particular with a wavelength according to the previous description.
  • the radiation source 4 also includes a device 36 for feeding back illumination radiation 5 into the FEL 35.
  • the device 36 includes four mirrors M1, M2, M3 and M4 in the order of the beam path of the illumination radiation 5.
  • the mirrors M1 to M4 are preferably arranged symmetrically to a central plane 40.
  • the mirrors M1 and M4 are mirrors for grazing incidence (GI mirror, grazing incidence mirror). They are exposed to illumination radiation 5 at an incidence angle g (grazing angle) of approximately 6°.
  • the mirrors M2 and M3 are mirrors for vertical incidence (NI mirror, normal incidence mirror).
  • the angle of incidence n is in particular approximately 6°.
  • a diffractive optical element in particular in the form of a lattice structure 41, is arranged on the first mirror M1. This can in particular be a blazed grid.
  • an acousto-optical element can serve as the lattice structure 41.
  • DE 10 2016 217 426 A1 details of such an acousto-optical element please refer to DE 10 2016 217 426 A1 referred.
  • the mirror M1 with the grating structure 41 forms a means for decoupling part of the illumination radiation 5 from the raw beam 6 or the collecting output beam 8. It is in particular intended to direct only a specific diffraction order 42 of the illumination radiation 5 diffracted on the grating structure 41 to the mirror M2, while all other diffraction orders are forwarded to one or more of the scanners 3i .
  • the mirror with the grating structure 41 can be viewed in particular as a component of the beam shaping optics 7 and the coupling optics 9. In particular, it can form a component of a combined beam shaping and coupling optics.
  • the zeroth diffraction order 42 0 is guided to the mirror M2.
  • Diffraction order 42 -1 are led to two of the scanners 3 i , 3 j .
  • the higher diffraction orders can be collected again using suitable optics and fed to a single scanner.
  • the reflected power can be concentrated into a few, preferably two, diffraction orders.
  • the decoupled part of the illumination radiation 5, in particular the zeroth diffraction order 42 0 is guided to the third mirror M3.
  • the third mirror M3 forwards the decoupled illumination radiation 5 to the fourth mirror M4. From there, the illumination radiation 5 is coupled back into the FEL 35 in the direction of rotation of the electron beam.
  • the direction in which the raw beam 6 leaves the FEL 35 is referred to as the forward direction 43.
  • the direction perpendicular to this is referred to as the transverse direction 44.
  • the mirror M1 is located approximately 10 m from the exit of the FEL 35 in the forward direction 43.
  • the mirror M2 is also approximately 10 m away from the mirror M1 in the forward direction 43.
  • the distance between the mirrors M1 and M2 in the transverse direction 44 is approximately 2 m.
  • the distance between mirrors M2 and M3 in the forward direction is about -52 m.
  • the M1 mirror is super polished. In particular, it has an EUV-compatible registration error and an EUV-compatible roughness.
  • the registration error of the mirror M1 is - at 13.5 nm wavelength - a maximum of 2.5 nm rms, the roughness is a maximum of 1 nm rms.
  • the mirror M4 is constructed essentially identically to the mirror M1.
  • the mirrors M2 and M3 have a registration error of at most 0.25 nm rms at a wavelength of 13.5 nm.
  • the permissible fit errors typically scale with the wavelength, the permissible roughness with the square of the wavelength.
  • All of the mirrors M1, M2, M3 and M4 can be coated in order to achieve the highest possible reflectivity.
  • the NI mirrors M2 and M3 have a reflectivity of at least 60%, preferably 70%, at a wavelength of 13.5 nm.
  • the GI mirrors M1 and M4 can have a coating, in particular a ruthenium coating. This allows the reflectivity of the NI mirrors M1 and M4 to be increased to 94% at a wavelength of 13.5 nm.
  • the material and achievable reflectivity of the coatings depend on the exposure wavelength. At 13.5nm, for example, Mo/Si-based multilayer structures are used, at 6.8nm, La/B-based multilayer structures are used.
  • the previously mentioned information on the roughness and the registration error of the mirrors refers to illumination radiation with a wavelength of 13.5 nm.
  • the values may differ from those mentioned above.
  • the permissible grazing angles also depend on the wavelength of the lighting radiation. They also decrease as the wavelength becomes smaller.
  • the beam diameter on the mirror M2 is approximately 50 mm. This significantly reduces the thermal surface load.
  • M1 can be designed as a convex, off-axis paraboloid mirror to a first approximation. It can also be designed as an ellipsoid, in particular with the beam waist at a focal point, or as a hyperboloid or as a free-form surface. The free-form surface can be approximated in particular by toroids.
  • the grid structure 41 includes grid lines that can be aligned either normal to the beam direction or in the beam direction.
  • a conical grid with lines in the beam direction can serve as the grid structure 41.
  • a portion of the illumination radiation 5 that matches the seed line is coupled out into the zeroth order 42 0 , which forms the useful order in this example.
  • ⁇ 1, are forwarded to the scanners 3 i .
  • the lattice structure 41 can be designed as a dynamic lattice. This makes it possible to control, in particular regulate, the proportion of the illumination radiation that is coupled out.
  • M2 and M3 are preferably designed as concave mirrors. In a first approximation, they can be designed as off-axis paraboloid mirrors. This allows a parallel beam of rays 45 to be generated in the area between M2 and M3.
  • the beam 45 has a diameter d of approximately 5 cm.
  • the mirror M3 picks up the beam 45 and focuses it on the mirror M4.
  • All of the mirrors M1, M2, M3 and M4 are designed as multi-layer mirrors with a multi-layer structure.
  • an output power of the FEL 35 of 1179 W is required with the feedback device 36 described above.
  • the maximum thermal load on the components of the device 36 in this case is less than 180 W/cm 2 . It occurs at mirror M1.
  • the thermal load can be further reduced by reducing the grazing angle g and/or by increasing the distance from the mirror M1 to the output of the FEL 35.
  • the mirror M1 is preferably made from materials that can withstand high thermal loads, in particular thermally conductive materials.
  • the mirror M1 can in particular be made of silicon carbide, silicon, copper, ruthenium, aluminum or diamond.
  • a solid ruthenium mirror can also serve as mirror M1.
  • a cooling device (not shown in the figures) can be provided to cool the mirror M1.
  • the feedback device 36 is designed such that the seed pulse in the undulator runs parallel to the electron beam of the FEL 35. This avoids the undesirable generation of high-energy X-rays through Coherent Inverse Compton Scattering of anti-parallel light and electron radiation.
  • the pulse reintroduced into the FEL 35 by means of the device 36 is adapted to the laser mode.
  • its lateral intensity profile is identical to the pulse in FEL 35.
  • a controllable grid structure 41 for example with the aid of an acousto-optical element, enables variable power feedback.
  • the radiation source 4 is designed in such a way that the FEL 35 can be switched off during operation. This can be done by suppressing the diffraction efficiency in the diffraction order used for seeding, in particular in the 0th diffraction order. This can be done, for example, by switching off the control voltage on the acousto-optical element. With a static grating, this can be achieved by moving or completely removing the grating in or out of the beam path. By influencing the amplitude of the grating, the diffraction efficiencies can be influenced directly.
  • the diffraction angle and the power coupled in through transmission losses at the subsequent mirrors as well as mode mismatch and the FEL power can be controlled.
  • the radiation source 4 according to the previous description can also be used instead of the projection exposure system 1 for a metrology system.

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Description

  • Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 212 224.5 in Anspruch.
  • US 2006/193553 A1 offenbart eine optische Vorrichtung, die einen Laser und einen planaren Lichtwellenleiter mit Beugungselementen und Mitteln zur Führung eines optischen Signals umfasst.
  • Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle für ein Projektionsbelichtungssystem oder Metrologiesystem gemäß Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Rückkopplung von emittierter Beleuchtungsstrahlung in eine Laser-Quelle gemäß Anspruch 9. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Betrieb eines Freie Elektonen Lasers gemäß Anspruch 10. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines mikro- oder nanostrukturierten Bauelements gemäß Anspruch 15. Bauelement Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Bauelement hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 16.
  • Als Strahlungsquellen für EUV-Projektionsbelichtungsanlagen kommen beispielsweise Freie Elektronenlaser (FEL) in Betracht. Derartige FEL haben üblicherweise sehr große Abmessungen. Außerdem kann es bei der Entsorgung des verbrauchten Elektronenstrahls zur Freisetzung von Radioaktivität kommen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Strahlungsquelle für eine Projektionsbelichtungsanlage zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Rückkopplung von emittierter Strahlung in eine Laserquelle sowie eine Strahlungsquelle mit einer derartigen Vorrichtung gelöst.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, einen Teil der emittierten Strahlung aus einem Strahlengang auszukoppeln und zumindest einen Anteil der ausgekoppelten Strahlung wieder in die Laser-Quelle einzukoppeln.
  • Die emittierte Strahlung kann insbesondere als Beleuchtungsstrahlung, insbesondere für eine Projektionsbelichtungsanlage, dienen. Im Folgenden wird anstelle des Begriffs Strahlung beziehungsweise elektromagnetische Strahlung auch der Begriff Beleuchtungsstrahlung verwendet.
  • Dies ist nicht einschränkend zu verstehen. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch bei anderen Anwendungen.
  • Mit Hilfe der optischen Komponenten zum Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung aus dem Strahlengang und zur Einkopplung zumindest eines Anteils der ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere zur Einkopplung eines sogenannten Seed-Pulses in die Laser-Quelle, insbesondere in einen Speicherring derselben, kann die Größe der Strahlungsquelle erheblich reduziert werden.
  • Bei der elektromagnetischen Strahlung handelt es sich insbesondere um Strahlung mit einer Wellenlänge von höchstens 30 nm, insbesondere um EUV-Strahlung, insbesondere um Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 5 nm bis 30 nm, beispielsweise von 13,5 nm oder 6,8 nm. Es handelt sich insbesondere um Beleuchtungsstrahlung zum Betrieb einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie.
  • Bei der Laser-Quelle handelt es sich um einen Freie Elektronen Laser.
  • Zur Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung aus dem Strahlengang dient insbesondere ein diffraktives optisches Element. Dieses kann auf der Komponente zur Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung angeordnet sein.
  • Mit Hilfe der Vorrichtung kann ein FEL mit einem Self Seed-Mechanismus versehen werden. Vorzugsweise ist die Vorrichtung zur Rückkopplung der emittierten elektromagnetischen Strahlung in die Laser-Quelle derart ausgebildet, dass ein Mode-Matching der eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung zu der in der Laser-Quelle generierten elektromagnetischen Strahlung erfolgt. Es erfolgt insbesondere eine Moden-angepasste Wiedereinkopplung von Seed-Pulsen in die Laser-Quelle.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung weisen die mindestens eine optische Komponente zur Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung aus dem Strahlengang und/oder die mindestens eine optische Komponente zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung in die Laser-Quelle jeweils einen Spiegel für streifenden Einfall (GI-Spiegel; Grazing Incidence Spiegel) auf.
  • Mittels eines Grazing Incidence Spiegels kann eine Aufweitung des Beleuchtungsstrahls erreicht werden. Dies kann zu einer Verringerung der Thermallast auf den optischen Komponenten genutzt werden.
  • Der Einfallswinkel (Grazing Angle) liegt vorzugsweise bei weniger als 15°, insbesondere weniger als 10°. Er kann beispielsweise 0,1rad = 5,7° betragen.
  • Der Spiegel der Komponente zur Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung aus dem Strahlengang ist vorzugsweise superpoliert. Er weist im Nutzbereich einen integralen Passefehler von höchstens 10nm rms , bevorzugt 2,5 nm rms, (root mean square) für Ortswellenlängen größer 1mm bis zur freien Apertur des Spiegels und eine integrale rms-Rauheit von höchstens 1nm, bevorzugt 0,5nm rms, für Ortsfrequenzen zwischen 10nm und 1mm auf. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Spiegel der optischen Komponente zur Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung mindestens 1 m, insbesondere mindestens 2 m, insbesondere mindestens 5 m, insbesondere mindestens 8 m vom Ausgang der Laser-Quelle entfernt angeordnet. Der Abstand beträgt vorzugsweise höchstens 30 m, insbesondere höchstens 20 m, insbesondere höchstens 12 m.
  • Die der optischen Komponente zur Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung nachfolgende optische Komponente der Vorrichtung zur Rückkopplung von elektromagnetischer Strahlung ist in Vorwärtsrichtung mindestens 1 m, insbesondere mindestens 2 m, insbesondere mindestens 3 m, insbesondere mindestens 5 m, insbesondere mindestens 8 m, jedoch vorzugsweise höchstens 30 m, insbesondere höchstens 20 m, insbesondere höchstens 12 m vom GI-Spiegel entfernt. Hierdurch kann einerseits die Aufweitung des ausgekoppelten Beleuchtungsstrahls, andererseits der transversale Abstand des rücklaufenden Strahls zum hinlaufenden Strahl beeinflusst werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der GI-Spiegel der optischen Komponente zur Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung als konvexer Spiegel, insbesondere als in erster Näherung außeraxialer Paraboloid-Spiegel oder als Ellipsoid-Spiegel, insbesondere mit einer Strahltaille (Beam Waist) in einem Fokuspunkt oder als Hyperboloid-Spiegel oder als Freiformflächen-Spiegel ausgebildet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Spiegel der Komponente zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung in die Laser-Quelle abgesehen von der diffraktiven Struktur im Wesentlichen identisch zum Spiegel der optischen Komponente zur Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung ausgebildet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das diffraktive optische Element ansteuerbar ausgebildet. Es handelt sich insbesondere um ein steuerbares Gitterelement. Es kann sich beispielsweise um ein akustooptisches Element handeln. Für Details sei auf die DE 10 2016 217 426 A1 verwiesen.
  • Das diffraktive optische Element weist insbesondere eine variable, insbesondere eine steuerbare Gitterkonstante auf. Dies ermöglicht eine variable, insbesondere eine steuerbare Leistungsrücckopplung in den FEL.
  • Alternativ hierzu kann das diffraktive optische Element auch als statisches Gitter ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine besonders einfache Umsetzung der Erfindung.
  • Das diffraktive optische Element kann insbesondere mindestens 30 Linien pro Millimeter, insbesondere mindestens 38 Linien pro Millimeter aufweisen. Die Liniendichte kann geringer sein als 100 Linien pro Millimeter. Hierdurch ist es möglich, zwei benachbarte Ordnungen an dem dem diffraktiven optischen Element nachfolgenden optischen Element (M2) um mindestens den Strahldurchmesser zu separieren.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das diffraktive optische Element geblazt (Blazed Grating) ausgebildet sein. Hierdurch ist es möglich, die reflektierte Leistung in wenige, insbesondere in zwei Ordnungen, zu konzentrieren.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, die nullte Ordnung oder eine höhere Ordnung, als Seed-Puls zur Wiedereinkopplung in die Laser-Quelle zu verwenden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das diffraktive optische Element Linien senkrecht zur Strahlrichtung auf.
  • Alternativ hierzu kann das diffraktive optische Element Linien in Strahlrichtung aufweisen. Es kann insbesondere als konisches Gitter ausgebildet sein. Details zur Auslegung können der WO2004/021086 A1 und der DE 10 2012 201 497 A1 entnommen werden. Ein konischen Gitters beugt die von Null verschiedenen Beugungsordnungen aus der Einfallsebene heraus, d.h. mit einer Richtungskomponente in Richtung des Gittervektors. Ein (konventionelles) Gitter mit Linien senkrecht zur Lichtrichtung beugt innerhalb der Einfallsebene. Je nach Bauraumbedingungen kann durch entsprechende Wahl eine optimale Auslegung erreicht werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist mindestens einer der Spiegel für streifenden Einfall hergestellt aus Siliziumkarbid, Silizium, Kupfer, Ruthenium, Aluminium oder Diamant oder weist Bestandteile dieser Stoffe
    oder deren Verbindungen oder Legierungen auf. Der Spiegel für streifenden Einfall kann insbesondere aus den vorgenannten Stoffen oder deren Verbindungen oder einer Kombination derselben bestehen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die mindestens eine optische Komponente mit dem diffraktiven optischen Element eine Kühleinrichtung auf. Die Komponente kann insbesondere innengekühlt sein. Als Kühlmedium kann eine Auswahl aus Wasser, Öl, Kohlendioxid oder Stickstoff dienen. Beispiele für die Integration einer Kühleinrichtung können z.B. der WO2007/051638A1 , der US2010/0182710A1 oder der US9007559B2 oder den DE 10 2012 201 221 A1 , DE 10 2015 100 918 A1 , DE 10 2009 039400 A1 , DE 10 2016 221 878 A1 entnommen werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Rückkopplung von elektromagnetischer Strahlung in die Laser-Quelle zwei Spiegel für streifenden Einfall und zwei Spiegel für senkrechten Einfall (NI-Spiegel, Normal Incidence Spiegel).
  • Die Vorrichtung umfasst insbesondere jeweils genau zwei GI- und zwei NI-Spiegel.
  • Es hat sich gezeigt, dass hierdurch die Thermallast auf den einzelnen Spiegeln unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes, insbesondere unterhalb von 1000 W/cm2, insbesondere unterhalb von 500 W/cm2, insbesondere unterhalb von 300 W/cm2, insbesondere unterhalb von 200 W/cm2 gehalten werden konnte. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Spiegel der Vorrichtung symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch, zu einer Mittenebene angeordnet. Vorzugsweise weist die Vorrichtung insgesamt einen symmetrischen Aufbau auf. Dies erleichtert eine Moden-angepasste Wiedereinkopplung der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere der Seed-Pulse.
  • Die Vorteile einer Strahlungsquelle mit einer Rückkopplungsvorrichtung gemäß der vorhergehenden Beschreibung ergeben sich aus den bereits beschriebenen.
  • Bei der Strahlungsquelle handelt es sich insbesondere um eine EUV-Strahlungsquelle, das heißt um eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im EUV-Wellenlängenbereich.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Freie Elektronen Lasers zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei welchem ein Teil der vom FEL erzeugten elektromagnetischen Strahlung aus dem Strahlengang ausgekoppelt und zumindest teilweise wieder in dem FEL eingekoppelt wird.
  • Es ist insbesondere vorgesehen, Seed-Pulse in den FEL wieder einzukoppeln.
  • Die Wiedereinkopplung erfolgt insbesondere Moden-angepasst.
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Kompaktspeicherring basierten FEL der weit unterhalb der Sättigung (ca. <1% der Sättigungsleistung) betrieben wird, sodass die Degradation der Elektronenstrahlqualität durch den FEL-Prozess so gering gehalten werden, dass ein Speichern des Elektronenstrahls möglich wird.
  • Details zur Auslegung dieses FELs können den Publikationen der Fa. Lyncean Technologies Inc. Michael Feser, https://www.euvlitho.com/2017/P17.pdf und Michael Feser et al, Proc SPIE Vol 10450 1045011-2 (2017) entnommen werden.
  • Die EUV-Gesamtleistung, welche im Kilowattbereich liegen kann, kommt insbesondere durch eine hohe Repetitionsrate zustande. Die Repetitionsrate beträgt insbesondere mindestens 5 MHz, insbesondere mindestens 10 MHz, insbesondere mindestens 20 MHz, insbesondere mindestens 30 MHz, insbesondere mindestens 50 MHz, insbesondere mindestens 100 MHz, insbesondere mindestens 200 MHz, insbesondere mindestens 300 MHz. Sie beträgt üblicherweise weniger als 1 GHz.
  • Im Speicherring können vorzugsweise mehrere Pulse, insbesondere mindestens 5 Pulse, insbesondere mindestens 10 Pulse, insbesondere mindestens 20 Pulse, insbesondere mindestens 30 Pulse, insbesondere mindestens 50 Pulse gespeichert werden.
  • Da die Elektronen über einen langen Zeitraum gespeichert werden können, sinkt die Anzahl der zu entsorgenden Elektronen dramatisch. Damit vereinfacht sich auch das Strahlenschutzproblem
  • Die Leistung des wiedereingekoppelten Anteils der ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung beträgt insbesondere mindestens 10 W, insbesondere mindestens 20 W, insbesondere mindestens 30 W, insbesondere mindestens 50 W, insbesondere mindestens 100 W. Sie beträgt vorzugsweise weniger als 1 kW, insbesondere weniger als 500 W, insbesondere weniger als 300 W, insbesondere weniger als 200 W.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der genaue Wert der wiedereingekoppelten Leistung durch Steuerung des diffraktiven optischen Elements gesteuert werden. Hierdurch wird die Flexibilität der Rückkopplung verbessert.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, die zur Beleuchtung des Objektfeldes genutzte elektromagnetische Strahlung, insbesondere deren Intensität, durch Ansteuern des diffraktiven optischen Elements zu steuern, insbesondere zu regeln. Es ist insbesondere möglich, die zur Abbildung des Retikels auf einem Wafer im Bildfeld der Projektionsoptik genutzte elektromagnetische Strahlung, insbesondere deren Intensität, durch Ansteuern des diffraktiven optischen Elements zu steuern, insbesondere zu regeln.
  • Mittels geeigneter Feedback- und/oder Feedforward-Informationen kann insbesondere eine Dosiskontrolle auf Retikel- und/oder Waferebene realisiert werden.
  • Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, ein Beleuchtungssystem für ein Projektionsbelichtungssystem oder ein Metrologiesystem sowie ein Projektionsbelichtungssystem und ein Metrologiesystem mit einem entsprechenden Beleuchtungssystem zu verbessern.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Beleuchtungssystem mit einer Strahlungsquelle gemäß der vorhergehenden Beschreibung gelöst. Die Vorteile ergeben sich aus den bereits beschriebenen.
  • Mit Hilfe des Beleuchtungssystems ist es insbesondere möglich, einen Teil der vom FEL erzeugten elektromagnetischen Strahlung zum Seeden in diesen rückzukoppeln. Die nicht zum Seed genutzten Beugungsordnungen werden vorzugsweise unobskuriert zu einem oder mehreren Scannern des Projektionsbelichtungssystems, insbesondere zu einer oder mehreren Projektionsoptiken, geführt. Für Details eines entsprechenden Projektionsbelichtungssystems sei wiederum auf die DE 10 2016 217 426 A1 verwiesen.
  • Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, ein Verfahren zur Herstellung eines mikro- oder nanostrukturierten Bauelements sowie ein derartiges Bauelement zu verbessern.
  • Diese Aufgaben werden durch Bereitstellen eines Projektionsbelichtungssystems gemäß der vorhergehenden Beschreibung gelöst.
  • Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Es zeigen:
    • Fig. 1
    schematisch den prinzipiellen Aufbau eines Projektionsbelichtungssystems mit einer Mehrzahl von n Scannern,
    Fig. 2
    schematisch eine alternative Darstellung des Strahlengangs im Projektionsbelichtungssystem gemäß Fig. 1 und
    Fig. 3
    schematisch eine Detailansicht des Strahlungsquellenmoduls des Projektionsbelichtungssystems gemäß Fig. 1 mit einer Vorrichtung zur Rückkopplung von Beleuchtungsstrahlung.
  • Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 zunächst die wesentlichen Bestandteile eines Projektionsbelichtungssystems 1 beschrieben. Für weitere Details sei stellvertretend auf die Beschreibung der DE 10 2016 217 426 A1 verwiesen.
  • Die nachfolgend vorgenommene Unterteilung des Projektionsbelichtungssystems 1 in Teilsysteme dient primär der begrifflichen Abgrenzung derselben. Die Teilsysteme können separate konstruktive Teilsysteme bilden. Die Aufteilung in Teilsysteme muss sich jedoch nicht notwendigerweise in einer konstruktiven Abgrenzung widerspiegeln.
  • Das Projektionsbelichtungssystem 1 umfasst ein Strahlungsquellenmodul 2 und einen oder eine Mehrzahl von Scannern 3i.
  • Das Strahlungsquellenmodul 2 umfasst eine Strahlungsquelle 4 zur Erzeugung von Beleuchtungsstrahlung 5.
  • Bei der Strahlungsquelle 4 handelt es sich um einen Freie Elektronen-Laser (FEL).
  • Die Strahlungsquelle 4 hat beispielsweise eine mittlere Leistung im Bereich von 1 kW bis 25 kW. Sie weist eine Pulsfrequenz im Bereich von 10 MHz bis 10 GHz auf. Jeder einzelne Strahlungsimpuls kann beispielsweise eine Energie von 83 µJ betragen. Bei einer Strahlungsimpulslänge von 100 fs entspricht dies einer Strahlungsimpulsleistung von 833 MW.
  • Die Strahlungsquelle 4 kann auch eine Repetitionsrate im Kilohertzbereich, beispielsweise von 100 kHz, oder im niederen Megahertzbereich, beispielsweise bei 3 MHz, im mittleren Megahertzbereich, beispielsweise bei 30 MHz, im oberem Megahertzbereich, beispielsweise bei 300 MHz oder auch im Gigahertzbereich, beispielsweise bei 1,3 GHz, besitzen.
  • Bei der Strahlungsquelle 4 handelt es sich insbesondere um eine EUV-Strahlungsquelle. Die Strahlungsquelle 4 emittiert insbesondere Strahlung mit einer Wellenlänge von höchstens 30 nm, insbesondere EUV-Strahlung im Wellenlängenbereich beispielsweise zwischen 2 nm und 30 nm, insbesondere zwischen 2 nm und 15 nm.
  • Die Strahlungsquelle 4 emittiert die Beleuchtungsstrahlung 5 in Form eines Rohstrahls 6. Der Rohstrahl 6 hat eine sehr kleine Divergenz. Die Divergenz des Rohstrahls 6 kann kleiner als 10 mrad sein, insbesondere kleiner als 1 mrad, insbesondere kleiner als 100 µrad, insbesondere kleiner als 10 µrad. Zur einfacheren Beschreibung von Lageverhältnissen werden im Folgenden Koordinaten eines kartesischen xyz-Koordinatensystems verwendet. Die x-Koordinate spannt mit der y-Koordinate regelmäßig einen Bündelquerschnitt der Beleuchtungsstrahlung 5 auf. Die z-Richtung verläuft regelmäßig in Strahlungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung 5. Im Bereich der Objektebene 21 beziehungsweise der Bildebene 24 verläuft die y-Richtung parallel zu einer Scanrichtung. Die x-Richtung verläuft senkrecht zur Scanrichtung. Der Rohstrahl 6 wird von der Strahlungsquelle 4 in eine bestimmte Richtung emittiert. Diese wird im Folgenden auch als Pointing P bezeichnet.
  • Der Rohstrahl 6 kann einen Lichtleitwert aufweisen, welcher kleiner ist als 0,1 mm2, insbesondere kleiner als 0,01 mm2. Beim Lichtleitwert handelt es sich um das kleinste Volumen eines Phasenraums, welches 90 % der Energie der von der Strahlungsquelle 2 emittierten Beleuchtungsstrahlung 5 enthält. Hierzu entsprechende Definitionen des Lichtleitwerts finden sich beispielsweise in der EP 1 072 957 A2 und der US 6 198 793 B1 .
  • Das Strahlungsquellenmodul 2 umfasst weiterhin eine der Strahlungsquelle 4 nachgeordnete Strahlformungsoptik 7. Die Strahlformungsoptik 7 dient zur Erzeugung eines Sammel-Ausgabestrahls 8 aus dem Rohstrahl 6. Der Sammel-Ausgabestrahl 8 hat eine sehr kleine Divergenz. Die Divergenz des Sammel-Ausgabestrahls 8 kann kleiner als 10 mrad sein, insbesondere kleiner als 1 mrad, insbesondere kleiner als 100 µrad, insbesondere kleiner als 10 µrad.
  • Mittels der Strahlformungsoptik 7 kann insbesondere der Durchmesser des Rohstrahls 6 beziehungsweise des Sammel-Ausgabestrahls 8 beeinflusst werden. Mittels der Strahlformungsoptik 7 kann insbesondere eine Aufweitung des Rohstrahls 6 erreicht werden. Der Rohstrahl 6 kann mittels der Strahlformungsoptik 7 insbesondere um einen Faktor von mindestens 1,5, insbesondere mindestens 2, insbesondere mindestens 3, insbesondere mindestens 5, insbesondere mindestens 10 aufgeweitet werden. Der Aufweitungsfaktor ist insbesondere kleiner als 1000. Es ist auch möglich, den Rohstrahl 6 in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich stark aufzuweiten. Er kann insbesondere in einer x-Richtung stärker aufgeweitet werden als in einer y-Richtung. Hierbei entspricht die y-Richtung im Bereich des Objektfeldes 11i der Scanrichtung. Die Divergenz des Sammel-Ausgabestrahls 8 kann kleiner sein als die Divergenz, insbesondere kleiner als die halbe Divergenz, des Rohstrahls 6.
  • Für weitere Details der Strahlformungsoptik 7 sei auf die DE 10 2013 223 935 A1 verwiesen. Die Strahlformungsoptik 7 kann insbesondere eine oder zwei Strahlformungsspiegelgruppen mit jeweils zwei Spiegeln aufweisen. Die Strahlformungsspiegelgruppen dienen insbesondere zur Strahlformung des Sammel-Ausgabestrahls 8 in zueinander senkrechten Ebenen, welche parallel zur Ausbreitungsrichtung des Sammel-Ausgabestrahls 8 verlaufen.
  • Die Strahlformungsoptik 7 kann auch weitere Strahlformungsspiegel umfassen.
  • Die Strahlformungsoptik 7 kann insbesondere Zylinderspiegel, insbesondere mindestens einen konvexen und mindestens einen konkaven Zylinderspiegel, umfassen. Sie kann auch Spiegel mit einem Freiformprofil umfassen. Derartige Spiegel weisen jeweils ein Höhenprofil auf, welches nicht als Kegelschnitt darstellbar ist.
  • Mittels der Strahlformungsoptik 7 kann außerdem das Intensitätsprofil des Rohstrahls 6 beeinflusst werden.
  • Außerdem umfasst das Strahlungsquellenmodul 2 eine nachfolgend noch näher beschriebene Auskoppeloptik 9. Die Auskoppeloptik 9 dient zur Erzeugung von mehreren, nämlich von n, Einzelausgabestrahlen 10i (i = 1 bis n) aus dem Sammel-Ausgabestrahl 8. Die Einzelausgabestrahlen 10i bilden jeweils Strahlenbündel zur Beleuchtung eines Objektfeldes 11i. Die Einzelausgabestrahlen 10i sind jeweils einem der Scanner 3i zugeordnet. Die Strahlenbündel der Einzelausgabestrahlen 10i können jeweils eine Mehrzahl von separaten Teilstrahlen 12i umfassen.
  • Wie nachfolgend noch näher beschrieben wird, kann die Funktionalität der Strahlformungsoptik 7 in die Auskoppeloptik 9 integriert sein. In diesem Fall kann auf eine separate Strahlformungsoptik 7 verzichtet werden.
  • Bei der Alternative gemäß Fig. 2 ist die Auskoppeloptik 9 in Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung hinter der Strahlformungsoptik 7 angeordnet. Vorzugsweise ist die Auskoppeloptik 9 direkt hinter der Strahlungsquelle 4, insbesondere vor der Beeinflussung des Rohstrahls 6 mittels der Strahlformungsoptik 7 angeordnet. In diesem Fall können separate Strahlformungsoptiken für die einzelnen Einzel-Ausgabestrahlen 10; vorgesehen sein. Durch eine derartige Anordnung der Auskoppeloptik 9 können Strahlungsverluste aufgrund von Dämpfung an der Auskoppeloptik 9 verringert werden.
  • Das Strahlungsquellenmodul 2 ist insbesondere in einem evakuierbaren Gehäuse angeordnet.
  • Die Scanner 3i umfassen jeweils eine Strahlführungsoptik 13i und eine Projektionsoptik 14i.
  • Die Strahlführungsoptik 13i dient der Führung der Beleuchtungsstrahlung 5, insbesondere der jeweiligen Einzel-Ausgabestrahlen 10; zu den Objektfeldern 11i der einzelnen Scanner 3i.
  • Die Projektionsoptik 14i dient jeweils der Abbildung eines in einem der Objektfelder 11i angeordneten Retikels 22i in ein Bildfeld 23i, insbesondere auf einen im Bildfeld 23i angeordneten Wafer 25i.
  • Die Strahlungsführungsoptik 13i umfasst in der Reihenfolge des Strahlengangs der Beleuchtungsstrahlung 5 jeweils eine Umlenkoptik 15i, eine Einkoppeloptik 16i, insbesondere in Form einer Fokussier-Baugruppe, und eine Beleuchtungsoptik 17i. Die Einkoppeloptik 16i kann insbesondere auch als Wolter-Typ-III-Kollektor ausgebildet sein.
  • Die Umlenkoptik 15i kann auch in die Auskoppeloptik 9 integriert sein. Die Auskoppeloptik 9 kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass sie die Einzelausgabestrahlen 10; bereits in eine gewünschte Richtung umlenkt. Gemäß einer Variante kann auch auf die Umlenkoptiken 15i insgesamt verzichtet werden. Allgemein können die Auskoppeloptik 9 und die Umlenkoptiken 15i eine Auskoppel-Umlenk-Einrichtung bilden.
  • Für unterschiedliche Varianten der Umlenkoptiken 15i sei beispielsweise auf die DE 10 2013 223 935 A1 verwiesen.
  • Die Einkoppeloptik 16i dient insbesondere dem Einkoppeln der Beleuchtungsstrahlung 5, insbesondere eines der von der Auskoppeloptik 9 erzeugten Einzel-Ausgabestrahlen 10i in jeweils eine der Beleuchtungsoptiken 17i.
  • Die Strahlführungsoptik 13i bildet zusammen mit der Strahlformungsoptik 7 und der Auskoppeloptik 9 Bestandteile einer Beleuchtungseinrichtung 18.
  • Die Beleuchtungseinrichtung 18 ist ebenso wie die Strahlungsquelle 4 Bestandteil eines Beleuchtungssystems 19.
  • Jeder der Beleuchtungsoptiken 17i ist jeweils eine der Projektionsoptiken 14i zugeordnet. Zusammen werden die einander zugeordnete Beleuchtungsoptik 17i und die Projektionsoptik 14i auch als optisches System 20i bezeichnet.
  • Die Beleuchtungsoptik 17i dient jeweils zur Überführung von Beleuchtungsstrahlung 5 zu einem im Objektfeld 11i in einer Objektebene 21 angeordneten Retikel 22i. Die Projektionsoptik 14i dient zur Abbildung des Retikels 22i, insbesondere zur Abbildung von Strukturen auf dem Retikel 22i, auf einen in einem Bildfeld 23i in einer Bildebene 24 angeordneten Wafer 25i.
  • Die Beleuchtungsoptik 17i umfasst jeweils einen ersten Facettenspiegel 28i und einen zweiten Facettenspiegel 29i, deren Funktion jeweils derjenigen entspricht, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beim ersten Facettenspiegel 28i kann es sich insbesondere um einen Feldfacettenspiegel handeln. Beim zweiten Facettenspiegel 29i kann es sich insbesondere um einen Pupillenfacettenspiegel handeln. Der zweite Facettenspiegel 29i kann jedoch auch beabstandet zu einer Pupillenebene der Beleuchtungsoptik 17 angeordnet sein. Dieser allgemeine Fall wird auch als spekularer Reflektor bezeichnet.
  • Die Facettenspiegel 28i, 29i umfassen jeweils eine Vielzahl von Facetten 28a, 29a. Beim Betrieb des Projektionsbelichtungssystems 1 ist jeder der ersten Facetten 28a jeweils eine der zweiten Facetten 29a zugeordnet. Die einander zugeordneten Facetten 28a, 29a bilden jeweils einen Beleuchtungskanal der Beleuchtungsstrahlung 5 zur Beleuchtung des Objektfeldes 11 unter einem bestimmten Beleuchtungswinkel.
  • Die Facetten 28a des ersten Facettenspiegel 28i können verlagerbar, insbesondere verkippbar, insbesondere mit jeweils zwei Kippfreiheitsgraden, ausgebildet sein. Die Facetten 28a des ersten Facettenspiegels 28; können als virtuelle Facetten ausgebildet sein. Hierunter sein verstanden, dass sie durch eine variable Gruppierung aus einer Mehrzahl von Einzelspiegeln, insbesondere eine Mehrzahl von Mikrospiegeln, gebildet werden. Für Details sei auf die WO 2009/100856 A1 verwiesen, die hiermit als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung in diese integriert ist.
  • Die Facetten 29a des zweiten Facettenspiegels 29; können entsprechend als virtuelle Facetten 29a ausgebildet sein. Sie können auch entsprechend verlagerbar, insbesondere verkippbar, ausgebildet sein.
  • Das Retikel 22 mit für die Beleuchtungsstrahlung 5 reflektierenden Strukturen wird von einem Retikelhalter 30 getragen. Der Retikelhalter 30 ist über eine Verlagerungseinrichtung 31 angesteuert verlagerbar.
  • Der Wafer 25 wird von einem Waferhalter 32 getragen. Der Waferhalter 32 ist mittels einer Verlagerungseinrichtung 33 gesteuert verlagerbar.
  • Die Verlagerungseinrichtung 31 des Retikelhalters 30 und die Verlagerungseinrichtung 33 des Waferhalters 32 können in Signalverbindung miteinander stehen. Sie sind insbesondere synchronisiert. Das Retikel 22 und der Wafer 25 sind insbesondere synchronisiert zueinander verlagerbar.
  • Bei der Projektionsbelichtung zur Herstellung eines mikro- oder nanostrukturierten Bauelements werden sowohl das Retikel 22 als auch der Wafer 25 durch entsprechende Ansteuerung der Verlagerungseinrichtungen 31 und 33 synchronisiert verlagert, insbesondere synchronisiert gescannt. Der Wafer 25 wird während der Projektionsbelichtung mit einer Scangeschwindigkeit von beispielsweise 600 mm/s gescannt.
  • Das Projektionsbelichtungssystem 1 umfasst insbesondere mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, insbesondere mindestens vier, insbesondere mindestens fünf, insbesondere mindestens sechs, insbesondere mindestens sieben, insbesondere mindestens acht, insbesondere mindestens neun, insbesondere mindestens zehn Scanner 3i. Das Projektionsbelichtungssystem 1 kann bis zu zwanzig Scanner 3; umfassen.
  • Die Scanner 3i werden von dem gemeinsamen Strahlungsquellenmodul 2, insbesondere der gemeinsamen Strahlungsquelle 4, mit Beleuchtungsstrahlung 5 versorgt.
  • Das Projektionsbelichtungssystem 1 dient zur Herstellung von mikro- beziehungsweise nanostrukturierten Bauelementen, insbesondere elektronischen Halbleiter-Bauelementen.
  • Die Einkoppeloptik 16i ist im Strahlengang zwischen dem Strahlungsquellenmodul 2, insbesondere der Auskoppeloptik 9, und jeweils einer der Beleuchtungsoptiken 17i angeordnet. Sie ist insbesondere als Fokussier-Baugruppe ausgebildet. Sie dient der Überführung jeweils eines der Einzel-Ausgabestrahlen 10; in einen Zwischenfokus 26i in einer Zwischenfokusebene 27. Der Zwischenfokus 26i kann im Bereich einer Durchtrittsöffnung eines Gehäuses des optischen Systems 20; oder des Scanners 3; angeordnet sein. Das Gehäuse ist insbesondere evakuierbar.
  • Die Beleuchtungsoptik 17i umfasst jeweils einen ersten Facettenspiegel und einen zweiten Facettenspiegel, deren Funktion jeweils derjenigen entspricht, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beim ersten Facettenspiegel kann es sich insbesondere um einen Feldfacettenspiegel handeln. Beim zweiten Facettenspiegel kann es sich insbesondere um einen Pupillenfacettenspiegel handeln. Der zweite Facettenspiegel kann jedoch auch beabstandet zu einer Pupillenebene der Beleuchtungsoptik 17; angeordnet sein. Dieser allgemeine Fall wird auch als spekularer Reflektor bezeichnet.
  • Die Facettenspiegel umfassen jeweils eine Vielzahl von ersten beziehungsweise zweiten Facetten. Beim Betrieb des Projektionsbelichtungssystems 1 ist jeder der ersten Facetten jeweils eine der zweiten Facetten zugeordnet. Die einander zugeordneten Facetten bilden jeweils einen Beleuchtungskanal der Beleuchtungsstrahlung 5 zur Beleuchtung des Objektfeldes 11i unter einem bestimmten Beleuchtungswinkel.
  • Die kanalweise Zuordnung der zweiten Facetten zu den ersten Facetten erfolgt in Abhängigkeit einer gewünschten Beleuchtung, insbesondere eines vorgegebenen Beleuchtungssettings. Die Facetten des ersten Facettenspiegels können verlagerbar, insbesondere verkippbar, insbesondere mit jeweils zwei Kippfreiheitsgraden, ausgebildet sein. Die Facetten des ersten Facettenspiegels sind insbesondere zwischen unterschiedlichen Stellungen schaltbar. Sie sind in unterschiedlichen Schaltstellungen unterschiedlichen der zweiten Facetten zugeordnet. Es kann jeweils auch mindestens eine Schaltstellung der ersten Facetten vorgesehen sein, in welcher die auf sie auftreffende Beleuchtungsstrahlung 5 nicht zur Beleuchtung des Objektfeldes 11i beiträgt. Die Facetten des ersten Facettenspiegels können als virtuelle Facetten ausgebildet sein. Hierunter sei verstanden, dass sie durch eine variable Gruppierung einer Mehrzahl von Einzelspiegeln, insbesondere einer Mehrzahl von Mikrospiegeln, gebildet werden. Für Details sei auf die WO 2009/100856 A1 verwiesen, die hiermit als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung in diese integriert ist.
  • Die Facetten des zweiten Facettenspiegels können entsprechend als virtuelle Facetten ausgebildet sein. Sie können auch entsprechend verlagerbar, insbesondere verkippbar, ausgebildet sein.
  • Über den zweiten Facettenspiegel und gegebenenfalls über eine nachfolgende, in den Figuren nicht dargestellte Übertragungsoptik, welche beispielsweise drei EUV-Spiegel umfasst, werden die ersten Facetten in das Objektfeld 11i in der Retikel- beziehungsweise Objektebene 21 abgebildet.
  • Die einzelnen Beleuchtungskanäle führen zur Beleuchtung des Objektfeldes 11i mit bestimmten Beleuchtungswinkeln. Die Gesamtheit der Beleuchtungskanäle führt somit zu einer Beleuchtungswinkelverteilung der Beleuchtung des Objektfeldes 11i durch die Beleuchtungsoptik 17i. Die Beleuchtungswinkelverteilung wird auch als Beleuchtungssetting bezeichnet.
  • Bei einer weiteren Ausführung der Beleuchtungsoptik 17i, insbesondere bei einer geeigneten Lage der Eintrittspupille der Projektionsoptik 14i, kann auf die Spiegel der Übertragungsoptik vor dem Objektfeld 11i auch verzichtet werden, was zu einer entsprechenden Transmissionserhöhung für das Nutzstrahlungsbündel führt.
  • Das Retikel 22i mit für die Beleuchtungsstrahlung 5 reflektierenden Strukturen ist in der Objektebene 21 im Bereich des Objektfeldes 11i angeordnet.
  • Die Projektionsoptik 14i bildet jeweils das Objektfeld 11i in das Bildfeld 23i in der Bildebene 24 ab. In dieser Bildebene 24 ist bei der Projektionsbelichtung der Wafer 25i angeordnet. Der Wafer 25i weist eine lichtempfindliche Beschichtung auf, die während der Projektionsbelichtung mit dem Projektionsbelichtungssystem 1 belichtet wird.
  • Im Folgenden wird eine vorteilhafte Ausführungsform des Beleuchtungssystems 19 beschrieben.
  • Es wurde erkannt, dass als Hauptstrahlungsquelle 4 vorteilhafterweise ein Freie Elektronen Laser (FEL) oder eine synchrotronbasierte Strahlungsquelle eingesetzt werden kann. Ein FEL skaliert sehr gut, das heißt er kann insbesondere dann besonders ökonomisch betrieben werden, wenn er groß genug ausgelegt wird, um eine Mehrzahl von Scannern 3; mit Beleuchtungsstrahlung 5 zu versorgen. Der FEL kann insbesondere bis zu acht, zehn, zwölf oder auch zwanzig Scanner mit Beleuchtungsstrahlung 5 versorgen.
  • Andererseits kann es vorteilhaft sein, kompakte und damit kostengünstigere FELs zur Verfügung zu stellen, die jeweils nur einen einzelnen Scanner mit Beleuchtungsstrahlung bedienen. Dies gilt insbesondere wenn in den EUVL-Fabriken nur einzelne Scanner installiert sind. Hauptsächlich auf diese Anwendung zielen die Speicherring-basierten FELs, die Gegenstand dieser Erfindung sind - ohne darauf beschränkt zu sein.
  • Es kann auch mehr als eine Strahlungsquelle 4 vorgesehen sein.
  • Eine Anforderung an das Projektionsbelichtungssystem 1 ist, dass die Strahlungsintensität, welche die einzelnen Retikel 22i erreicht, sowie insbesondere die Strahlungsdosis, welche die Wafer 25i erreicht, sehr exakt und sehr schnell geregelt werden kann. Die Strahlungsdosis, welche die Wafer 25i erreicht, soll insbesondere möglichst konstant gehalten werden können.
  • Schwankungen der auf das Retikel 22; auftreffenden Beleuchtungsstrahlung 5, insbesondere der Gesamtintensität der auf die Retikel 22i auftreffenden Beleuchtungsstrahlung 5 und damit der auf die Wafer 25i auftreffende Strahlungsdosis, können auf Intensitätsschwankungen der Hauptstrahlungsquelle und/oder auf geometrische Schwankungen, insbesondere auf Schwankungen der Richtung des von der Hauptstrahlungsquelle 4 emittierten Rohstrahls 6 und/oder Schwankungen des Querschnittsprofils, insbesondere im Bereich der Auskoppeloptik 9, desselben zurückzuführen sein. Schwankungen des Querschnittsprofils können insbesondere auf Divergenzschwankungen des von der Strahlungsquelle 4 emittierten Rohstrahls 6 und/oder des Sammel-Ausgabestrahls 8 zurückzuführen sein.
  • Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Fig. 3 Details des Strahlungsquellenmoduls 2, insbesondere der Strahlungsquelle 4, beschrieben. Die Strahlungsquelle 4 umfasst den Freie Elektronen Laser 35 (FEL). Der allgemeine Aufbau des kompakten FEL 35 ist bekannt. Stellvertretend wird diesbezüglich auf die Publikationen der Fa. Lyncean Technologies Inc. Michael Feser, https://www.euvlitho.com/2017/P17.pdf und Michael Feser et al, Proc SPIE Vol 10450 1045011-2 (2017) verwiesen. Aus diesen Publikationen ergibt sich auch die Bedeutung der in der Figur 3 nur schematisch dargestellten Bestandteile des FEL 35.
  • Der FEL 35 emittiert die Beleuchtungsstrahlung 5. Der FEL 35 emittiert insbesondere Beleuchtungsstrahlung 5 mit einer Wellenlänge von höchstens 30 nm, insbesondere mit einer Wellenlänge gemäß der vorhergehenden Beschreibung.
  • Außerdem umfasst die Strahlungsquelle 4 eine Vorrichtung 36 zur Rückkopplung von Beleuchtungsstrahlung 5 in den FEL 35.
  • Die Vorrichtung 36 umfasst in Reihenfolge des Strahlengangs der Beleuchtungsstrahlung 5 vier Spiegel M1, M2, M3 und M4.
  • Die Spiegel M1 bis M4 sind vorzugsweise symmetrisch zu einer Mittelebene 40 angeordnet.
  • Bei den Spiegeln M1 und M4 handelt es sich um Spiegel für streifenden Einfall (GI-Spiegel, Grazing Incidence Spiegel). Sie werden unter einem Einfallswinkel g (Grazing Angle) von etwa 6° mit Beleuchtungsstrahlung 5 beaufschlagt.
  • Bei den Spiegeln M2 und M3 handelt es sich um Spiegel für senkrechten Einfall (NI-Spiegel, Normal Incidence Spiegel).
  • Der Einfallswinkel n beträgt insbesondere etwa 6°.
  • Auf dem ersten Spiegel M1 ist ein diffraktives optisches Element, insbesondere in Form einer Gitterstruktur 41, angeordnet. Hierbei kann es sich insbesondere um ein geblaztes Gitter handeln. Alternativ hierzu kann als Gitterstruktur 41 ein akustooptisches Element dienen. Für Details eines derartigen akustooptischen Elements sei auf die DE 10 2016 217 426 A1 verwiesen.
  • Der Spiegel M1 mit der Gitterstruktur 41 bildet ein Mittel zur Auskopplung eines Teils der Beleuchtungsstrahlung 5 aus dem Rohstrahl 6 oder dem Sammel-Ausgabestrahl 8. Es ist insbesondere vorgesehen, lediglich eine bestimmte Beugungsordnung 42 der an der Gitterstruktur 41 gebeugten Beleuchtungsstrahlung 5 zum Spiegel M2 zu leiten, während sämtliche übrigen Beugungsordnungen zu einem oder mehreren der Scanner 3i weitergeleitet werden.
  • Der Spiegel mit der Gitterstruktur 41 kann insbesondere als Bestandteil der Strahlformungsoptik 7 und der Auskoppeloptik 9 angesehen werden. Er kann insbesondere einen Bestandteil einer kombinierten Strahlformungs- und Auskoppeloptik bilden.
  • Vorzugsweise wird die nullte Beugungsordnung 420 zum Spiegel M2 geführt. Die erste Beugungsordnung 42+1 und die -1. Beugungsordnung 42-1 werden zu zwei der Scanner 3i, 3j geführt. Alternativ können die höheren Beugungsordnungen durch eine geeignete Optik wieder gesammelt und einem einzelnen Scanner zugeführt werden.
  • Durch geeignetes Blazen der Gitterstruktur 41 kann die reflektierte Leistung in wenige, vorzugsweise in zwei Beugungsordnungen konzentriert werden.
  • Vom Spiegel M2 wird der ausgekoppelte Teil der Beleuchtungsstrahlung 5, insbesondere die nullte Beugungsordnung 420, zum dritten Spiegel M3 geführt.
  • Der dritte Spiegel M3 leitet die ausgekoppelte Beleuchtungsstrahlung 5 weiter zum vierten Spiegel M4. Von dort wird die Beleuchtungsstrahlung 5 wieder in Umlaufrichtung des Elektronenstrahles in den FEL 35 eingekoppelt.
  • Die Richtung, in welcher der Rohstrahl 6 den FEL 35 verlässt, wird als Vorwärtsrichtung 43 bezeichnet. Die Richtung senkrecht hierzu wird als Transversalrichtung 44 bezeichnet. Diese Richtungen sind schematisch in der Figur 3 eingezeichnet.
  • Der Spiegel M1 ist in Vorwärtsrichtung 43 etwa 10 m vom Ausgang des FEL 35 entfernt angeordnet.
  • Der Spiegel M2 weist in Vorwärtsrichtung 43 einen Abstand von ebenfalls circa 10 m zum Spiegel M1 auf. Der Abstand zwischen den Spiegeln M1 und M2 in Transversalrichtung 44 beträgt etwa 2 m.
  • Der Abstand zwischen den Spiegeln M2 und M3 in Vorwärtsrichtung beträgt etwa -52 m.
  • Der Spiegel M1 ist superpoliert. Er weist insbesondere einen EUV-kompatiblen Passefehler und eine EUV-kompatible Rauheit auf. Der Passefehler des Spiegels M1 beträgt - bei 13,5nm Wellenlänge- höchstens 2,5 nm rms, die Rauheit höchstens 1nm rms. Der Spiegel M4 ist abgesehen von der Gitterstruktur 41 im Wesentlichen identisch zum Spiegel M1 aufgebaut.
  • Die Spiegel M2 und M3 weisen - bei 13,5nm Wellenlänge - einen Passefehler von höchstens 0,25 nm rms auf.
  • Die zulässigen Passefehler skalieren typischerweise mit der Wellenlänge, die zulässigen Rauheiten mit dem Quadrat der Wellenlängen.
  • Sämtliche der Spiegel M1, M2, M3 und M4 können beschichtet sein, um eine möglichst hohe Reflektivität zu erreichen. Die NI-Spiegel M2 und M3 weisen bei 13,5nm Wellenlänge eine Reflektivität von mindestens 60% bevorzugt 70% auf.
  • Die GI-Spiegel M1 und M4 können eine Beschichtung, insbesondere eine Rutheniumbeschichtung, aufweisen. Hierdurch kann die Reflektivität der NI-Spiegel M1 und M4 bei 13,5nm Wellenlänge auf 94% gesteigert werden.
  • Material und erreichbare Reflektivität der Beschichtungen hängen von der Belichtungswellenlänge ab. Bei 13,5nm kommen z.B. Mo/Si-basierte Viellagenssrukturen bei 6,8nm eher La/B-basierte Viellagenstrukturen zum Einsatz.
  • Die vorher genannten Angaben zur Rauheit und zum Passefehler der Spiegel beziehen sich auf Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge von 13,5nm. Bei Beleuchtungsstrahlung mit einer anderen Wellenlänge, beispielsweise von 6,8nm, können die Werte von den vorgehend genannten abweichen. Auch die zulässigen grazing-Winkel hängen von der Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung ab. Sie nehmen mit kleiner werdender Wellenlänge ebenfalls ab.
  • Beim Auftreffen auf den ersten Spiegel M1 hat die Beleuchtungsstrahlung 5 einen Strahldurchmesser von circa 2 mm. Bei einem Grazing Angle von 0,1rad = 5,7° wird der Strahl auf dem Spiegel M1 in Vorwärtsrichtung 43 auf circa 20 mm aufgeweitet.
  • Der Strahldurchmesser auf dem Spiegel M2 beträgt etwa 50 mm. Hierdurch wird die thermische Flächenlast erheblich reduziert.
  • M1 kann als konvexer, in erster Näherung außeraxialer Paraboloidspiegel ausgebildet sein. Er kann auch als Ellipsoid, insbesondere mit der Strahlentaille in einem Fokuspunkt, oder als Hyperboloid oder als Freiformfläche ausgebildet sein. Die Freiformfläche kann insbesondere durch Toroide angenähert werden.
  • Die Gitterstruktur 41 umfasst Gitterlinien, die entweder normal zur Strahlrichtung oder in Strahlrichtung ausgerichtet sein können. Als Gitterstruktur 41 kann insbesondere ein konisches Gitter mit Linien in Strahlrichtung dienen.
  • Mit Hilfe der Gitterstruktur wird ein zur Seed-Leitung passender Anteil der Beleuchtungsstrahlung 5 in die nullte Ordnung 420, welche in diesem Beispiel die Nutzordnung bildet, ausgekoppelt. Die restlichen Ordnungen 42i, | i| ≥1, werden zu den Scannern 3i weitergeleitet.
  • Wie bereits erwähnt, kann die Gitterstruktur 41 als dynamisches Gitter ausgebildet sein. Dies ermöglicht es, den Anteil der ausgekoppelten Beleuchtungsstrahlung zu steuern, insbesondere zu regeln.
  • Damit die nicht zum Seed genutzten Beugungsordnungen 42i, | i| ≥1, unobskuriert weitergeleitet werden können, müssen zwei benachbarte Ordnungen am Spiegel M2 um mindestens den Strahldurchmesser voneinander separiert sein. Dies kann - bei 13.5nm Wellenlänge - erreicht werden, wenn die Gitterstruktur 41 circa 38 Linien pro Millimeter aufweist.
  • M2 und M3 werden vorzugsweise als Konkavspiegel ausgelegt. Sie können in erster Näherung als außeraxiale Paraboloidspiegel ausgebildet sein. Hierdurch lässt sich ein paralleles Strahlenbündel 45 im Bereich zwischen M2 und M3 erzeugen. Das Strahlenbündel 45 hat einen Durchmesser d von etwa 5 cm.
  • Der Spiegel M3 nimmt das Strahlenbündel 45 auf und fokussiert es auf den Spiegel M4.
  • Sämtliche der Spiegel M1, M2, M3 und M4 sind als Viellagen-Spiegel (Multi Layer-Spiegel) mit einer Viellagenstruktur ausgebildet.
  • Für eine Seeding-Leistung von 50 W wird mit der vorhergehend beschriebenen Rückkopplungsvorrichtung 36 eine Ausgangsleistung des FEL 35 von 1179 W benötigt. Die maximale Thermallast auf den Komponenten der Vorrichtung 36 beträgt in diesem Fall weniger als 180 W/cm2. Sie fällt am Spiegel M1 an. Die thermische Last kann durch Verringerung des Grazing-Winkels g und/oder durch Vergrößerung des Abstandes vom Spiegel M1 zum Ausgang des FEL 35 weiter verringert werden.
  • Vorzugsweise wird der Spiegel M1 aus thermisch hochbelastbaren, insbesondere wärmeleitfähigen Materialien hergestellt. Der Spiegel M1 kann insbesondere aus Siliziumkarbid, Silizium, Kupfer, Ruthenium, Aluminium oder Diamant hergestellt sein. Als Spiegel M1 kann auch ein massiver Rutheniumspiegel dienen. Zur Kühlung des Spiegels M1 kann eine in den Figuren nicht dargestellte Kühleinrichtung vorgesehen sein.
  • Die Rückkopplungsvorrichtung 36 ist derart ausgebildet, dass der Seedpuls im Undulator parallel zum Elektronenstrahl des FEL 35 läuft. Die unerwünschte Erzeugung hochenergetischer Röntgenstrahlung durch Coherent Inverse Compton Scattering antiparallel laufender Licht- und Elektronenstrahlung, wird hierdurch vermieden.
  • Durch eine genaue Anpassung der Abstände zwischen den Spiegeln M1, M2, M3 und M4 beziehungsweise durch eine Anpassung der Laufzeit der Beleuchtungsstrahlung 5 in der Rückkopplungsschleife, kann eine Synchronisation mit den im FEL 35 umlaufenden Pulsen erreicht werden.
  • Im Folgenden werden stichwortartig weitere Details der Vorrichtung 36 und des Betriebs der Strahlungsquelle 4 mit der Vorrichtung 36 beschrieben.
  • Der mittels der Vorrichtung 36 in den FEL 35 wiedereingekoppelte Puls ist an die Lasermode angepasst. Er ist insbesondere in seinem lateralen Intensitätsprofil identisch zum Puls im FEL 35.
  • Eine steuerbare Gitterstruktur 41, beispielsweise mit Hilfe eines akustooptischen Elements, ermöglicht eine variable Leistungsrückkopplung.
  • Es kann vorgesehen sein, die Strahlungsquelle 4 derart auszubilden, dass der FEL 35 während des Betriebs abgeschaltet werden kann. Dies kann dadurch geschehen, dass die Beugungseffizienz in die zum ,seeden' benutzte Beugungsordnung, insbesondere in die 0.te Beugungsordnung unterdrückt wird. Dies kann beispielsweise durch Abschalten der Steuerspannung an dem akustooptischen Element geschehen. Bei einem statischen Gitter kann dies durch Verschieben oder gänzlichem Entfernen des Gitters im bzw. aus dem Strahlengang erreicht werden. Durch Beeinflussung der Amplitude des Gittes lassen sich die Beugungseffizienzen direkt beeinflussen.
  • Durch Beeinflussung der Gitterperiode des z.B. akustooptischen Elementes können Beugungswinkel und durch Überstrahlungsverluste an den nachfolgenden Spiegeln sowie Modenmissanpassung eingekoppelte Leistungen und die FEL-Leistung gesteuert werden.
  • Durch diese Maßnahmen kann basierend auf geeigneten Feedback- oder Feedforward-Informationen dann z.B. eine Dosiskontrolle auf Retikel- oder Waferebene realisiert werden.
  • Die Strahlungsquelle 4 gemäß der vorhergehenden Beschreibung kann auch anstelle des Projektionsbelichtungssystems 1 für ein Metrologie-System verwendet werden.

Claims (16)

  1. Strahlungsquelle (4) geeignet für ein Projektionsbelichtungssystem (1) oder ein Metrologiesystem aufweisend
    1.1. einen Freie Elektronen Laser, FEL, (35), welcher Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge von höchstens 30 nm emittiert und
    1.2. eine Vorrichtung (36) eingerichtet zur Rückkopplung von emittierter Beleuchtungsstrahlung (5) in den FEL (35) aufweisend
    1.2.1.mindestens eine optische Komponente (M1) eingerichtet zur Auskopplung von Beleuchtungsstrahlung (5) aus einem Strahlengang und
    1.2.2.mindestens eine optische Komponente zur Einkopplung zumindest eines Anteils der ausgekoppelten Beleuchtungsstrahlung (5) als Seed-Puls in den FEL (35),
    1.3. wobei die mindestens eine optische Komponente zur Auskopplung von Beleuchtungsstrahlung (5) aus dem Strahlengang ein diffraktives optisches Element (41) aufweist.
  2. Strahlungsquelle (4) gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine optische Komponente zur Auskopplung von Beleuchtungsstrahlung (5) aus dem Strahlengang und/oder die mindestens eine optische Komponente zur Einkopplung von Beleuchtungsstrahlung (5) in den FEL (35) jeweils einen Spiegel (M1, M4) für streifenden Einfall (GI-Spiegel; grazing incidence Spiegel) aufweisen.
  3. Strahlungsquelle (4) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das diffraktive optische Element (41) ansteuerbar ausgebildet ist.
  4. Strahlungsquelle (4) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das diffraktive optische Element (41) Linien senkrecht zur Strahlrichtung aufweist
  5. Strahlungsquelle (4) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das diffraktive optische Element (41) Linien parallel zur Strahlrichtung aufweist.
  6. Strahlungsquelle (4) gemäß Anspruch 2, wobei mindestens einer der Spiegel (M1, M4) für streifenden Einfall hergestellt ist aus Siliziumcarbid (SiC), Silizium (Si), Kupfer (Cu), Ruthenium (Ru), Aluminium(Al) oder Diamant oder Bestandteile dieser Stoffe oder deren Verbindungen oder Legierungen aufweist.
  7. Strahlungsquelle (4) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine optische Komponente mit dem diffraktiven optischen Element (41) eine Kühleinrichtung aufweist.
  8. Strahlungsquelle (4) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche wobei sie zwei Spiegel (M1, M4) für streifenden Einfall (grazing incidence) und zwei Spiegel (M2, M3) für senkrechten Einfall (normal incidence) aufweist.
  9. Vorrichtung (36) eingerichtet zur Rückkopplung von emittierter Beleuchtungsstrahlung (5) in einen Freie Elektronen Laser, FEL, (35) aufweisend
    9.1. mindestens eine optische Komponente (M1) eingerichtet zur Auskopplung von Beleuchtungsstrahlung (5) aus einem Strahlengang und
    9.2. mindestens eine optische Komponente eingerichtet zur Einkopplung zumindest eines Anteils der ausgekoppelten Beleuchtungsstrahlung (5) als Seed-Puls in den FEL (35),
    9.3. wobei die mindestens eine optische Komponente zur Auskopplung von Beleuchtungsstrahlung (5) aus dem Strahlengang ein diffraktives optisches Element (41) aufweist.
  10. Verfahren zur Betrieb eines Freie Elektronen Lasers, FEL, umfassend die folgenden Schritte:
    10.1. Bereitstellen einer Strahlungsquelle (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
    10.2. Erzeugen von Beleuchtungsstrahlung (5) mittels des FEL (35),
    10.3. Auskoppeln eines Teils der vom FEL (35) erzeugten Beleuchtungsstrahlung (5) aus dem Strahlengang,
    10.4. Wiedereinkoppeln zumindest eines Anteils der ausgekoppelten Beleuchtungsstrahlung (5) als Seed-Puls in den FEL (35).
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei eine Ansteuerung des diffraktiven optischen Elements (41) zur Steuerung der zu einem Bildfeld (23e) geführten Beleuchtungsstrahlung (5) vorgesehen ist.
  12. Beleuchtungssystem (19) für ein Projektionsbelichtungssystem (1) oder ein Metrologiesystem aufweisend eine Strahlungsquelle (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
  13. Projektionsbelichtungssystem (1) für die Mikrolithographie aufweisend
    13.1. ein Beleuchtungssystem (19) gemäß Anspruch 12 und
    13.2. mindestens eine Projektionsoptik (14i) zur Abbildung eines Objektfeldes (11i) in ein Bildfeld (23i).
  14. Metrologiesystem aufweisend ein Beleuchtungssystem (19) gemäß Anspruch 12.
  15. Verfahren zur Herstellung eines mikro- oder nanostrukturierten Bauelements umfassend die folgenden Schritte
    15.1. Bereitstellen eines Projektionsbelichtungssystems (1) gemäß Anspruch 13,
    15.2. Anordnen eines Retikels (22i) in einem Objektfeld (11i),
    15.3. Beaufschlagen des Retikels (22i) mit Beleuchtungsstrahlung (5),
    15.4. Abbilden des Retikels (22i) auf eine lichtempfindliche Schicht eines Wafers (25i) im Bildfeld (23i) der Projektionsoptik (14i),
    15.5. Entwickeln der lichtempfindlichen Schicht auf dem Wafer (25i).
  16. Bauelement hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Bauelement ein Projektionsbelichtungssystem gemäß Anspruch 13 enthält.
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